El control de pressió s'utilitza sovint en sistemes de premsat, mòlta i proves. Aquestes aplicacions sovint requereixen un control dels augments de pressió que són molt més complexos i precisos del que es poden aconseguir amb vàlvules d'alleujament o reguladors de pressió normals. Les aplicacions modernes poden treure el màxim profit de tota la potència. Aquest avantatge s'aconsegueix mitjançant l'ús del control diferencial, on la força s'obté multiplicant la pressió a ambdós costats del pistó per les seves respectives àrees, i la força neta s'obté restant la força de la cavitat sense barra.
El mètode de control de llaç-tancat que s'utilitza habitualment és aconseguir el control precís de la pressió compensant el canvi de viscositat del medi. L'ús d'algoritmes PID provats és molt més sofisticat que el control proporcional limitat que poden proporcionar els dispositius mecànics amb molles. Aquest rendiment especial ens permet corregir i reduir els sobrepassos mentre controlem la pressió.
Què és l'estrès? Per què és tan important per a un control precís?
La pressió és la força rebuda per unitat d'àrea, és a dir, la relació de força total per l'àrea total tensada. La pressió en el sistema hidràulic es genera aplicant força a l'oli en el sistema de volum constant o afegint oli al sistema de volum constant. En aquest article, ignorarem l'efecte de l'expansió tèrmica.
La fórmula bàsica del canvi de pressió:
Aquesta fórmula ens diu que la pressió canvia amb el volum i el mòdul elàstic del volum, que reflecteix la compressibilitat del líquid. Per exemple, el mòdul elàstic a granel del petroli és d'uns 200.000 psi, mentre que el de l'aigua és d'uns 312.000 psi. Això significa que si la capacitat es redueix un 0,1%, la pressió de l'oli augmentarà en 200 psi i la pressió de l'aigua augmentarà en 312 psi. En altres paraules, l'aigua és més difícil de comprimir que l'oli.
La fórmula següent defineix l'efecte del temps sobre la força i la pressió:
En altres paraules, suposant que el volum i el mòdul elàstic a granel són constants, podem calcular la velocitat de canvi de la força i la pressió en qualsevol moment tenint en compte la velocitat, el cabal i la capacitat de corrent.
A continuació, ens centrarem en les fórmules (2) i (3).
Aplicació de la fórmula
La pressió es pot controlar de diverses maneres, normalment utilitzant una servovàlvula o una vàlvula proporcional amb un servo carrete. L'equació 2 mostra que per augmentar una determinada pressió, cal injectar líquid a la cambra. La velocitat d'addició de líquid ha de ser proporcional a l'augment de pressió desitjat. Quan la pressió arriba al valor ideal, l'ompliment s'atura i el sistema manté la pressió constant tot el temps. En aplicacions pràctiques, sempre hi ha una petita quantitat de fuites i el controlador ha d'afegir líquid al sistema a la velocitat a la qual es filtra el líquid. Per tant, el flux net Q sempre és zero i la taxa de canvi de pressió també és zero. Per reduir la pressió, la vàlvula corredissa s'ha d'ajustar per permetre que el líquid flueixi pel cos. Quan s'assoleix el valor de pressió ideal, el cos de la vàlvula es torna a tancar per mantenir la pressió constant. La clau aquí és que la velocitat de canvi de pressió depèn del cabal, no de la pressió en si.
Si el sistema està dissenyat correctament, es poden utilitzar vàlvules proporcionals típiques per al control de pressió. La clau és tenir un buit o porus especial entre els ports A i B del cos de la vàlvula. Les equacions 2 i 3 es poden utilitzar per calcular la fuita ideal quan es coneix la taxa ideal màxima de caiguda de pressió. El controlador de moviment ha de controlar el cos de la vàlvula per proporcionar fluid al sistema a una velocitat igual a la pèrdua de fluid pels porus en tot moment. Si el cabal és massa baix, la pressió disminuirà a mesura que el líquid surti. Si el cabal és massa alt, la pressió augmentarà. L'avantatge d'aquest mètode és que quan el sistema es mou, s'amortitza i no produirà vibracions violentes.
Significat de control
En un sistema d'accionament hidràulic, la pressió pot augmentar ràpidament en un mil·lisegon. Però la maquinària no respon tan ràpidament. Els sistemes mecànics es regeixen per la pressió, no per la velocitat de canvi de pressió. Per tant, si no es controla la taxa de canvi de pressió, és fàcil fer que l'equip mecànic salti al valor establert. Imagina que estàs conduint i, quan veus un semàfor vermell, baixes gradualment la velocitat fins a una parada suau en lloc d'una parada d'accident. El controlador de pressió hauria de fer la mateixa feina.
Quan es controla la pressió, s'han de tenir en compte almenys els quatre punts següents:
1. El temps de reacció del sensor de pressió ha de ser prou ràpid. En els casos en què el material no es comprimeix fàcilment, és habitual que la pressió de l'oli augmenti a una velocitat de 200 psi per mil·lisegon. Els sensors de pressió amb constants de temps de mil·lisegons no responen prou ràpidament als canvis de pressió en ús. La constant de temps de resposta a la pressió ha de ser de l'ordre de 100 μs per funcionar correctament. Si només el mètode empíric utilitza el sensor per mesurar, la velocitat és almenys deu vegades més ràpida del que s'esperava.
2. El temps de mostreig del sensor de pressió ha de ser ràpid i tenir un interval fix. En aplicacions pràctiques, com ara l'estampació metàl·lica esmentada anteriorment, la pressió pot variar en centenars de psi en tan sols 10 mil·lisegons.
3. El temps de mostreig ha de ser constant. Si se suposa que l'exploració és de 10 mil·lisegons per exploració, però en realitat és de 9 mil·lisegons per 11 mil·lisegons, el càlcul de la relació de pressió diferirà almenys un 20%. Per tant, un temps de mostreig constant és molt important per al càlcul precís de la taxa de canvi de pressió.
4. PLC no és necessàriament la millor opció. La funció de PID en PLCS es va dissenyar originalment per controlar la temperatura o la pressió de l'aire, no per a fluids difícils de comprimir. Quan es troben en el rang de mil·lisegons, la constant de temps del PID al PLC es troba al nivell de minut. Per al control de pressió, es requereix un controlador PID dissenyat especialment.
Opció de control
El primer que cal entendre és que, tot i que podem controlar la posició, la força o la pressió, no podem fer les tres al mateix temps. En qualsevol posició, si hi ha una obstrucció, l'actuador estarà sotmès a una resistència igual i oposada a la força motriu. Fent proves de moviment sinusoïdal amb actuadors, podem controlar la pressió, però no podem controlar la pressió o la força alhora que controlem la seva posició. Perquè la pressió o la força està determinada per la força de la mostra de prova sobre l'actuador. L'actuador pot proporcionar una força o pressió sinusoïdal, però la seva posició està determinada per la linealitat del coeficient elàstic del material de prova.
Estrès
Pot ser que no hi hagi interferències durant el moviment, de manera que no té sentit intentar controlar la pressió o la força. L'avantatge de controlar només la pressió o la força és que no cal tenir en compte la posició. L'operador simplement pot canviar el punt de consigna, però ha de parar atenció a la situació de càrrega buida. En una situació similar, el pistó del cilindre hidràulic s'accelerarà fins que la pressió coincideixi amb el valor establert. En proves on només es controla la pressió o la força, s'ha de controlar la velocitat de l'actuador per evitar una caiguda sobtada de càrrega. Quan es detecta que la càrrega desapareix, l'actuador pot canviar al mode de posició o velocitat.
Limitacions de posició i pressió
Una altra opció és limitar la posició o la velocitat mitjançant restriccions de pressió o força. Funciona fent funcionar dos llaços de control alhora, i només el valor mínim d'ambdues sortides de control es passa a la vàlvula hidràulica. Que el sistema assoleixi el punt de consigna de posició o el punt de consigna de pressió depèn de quin s'assoleixi primer. Per tant, si la càrrega del cilindre hidràulic desapareix de sobte quan s'estableix la pressió, la pressió baixarà i activarà el controlador PID de pressió per produir un gran senyal de control. Tanmateix, a mesura que el sistema s'accelera, l'error de velocitat disminueix i el senyal de control del controlador de velocitat PID disminueix a mesura que disminueix l'error. El valor més petit dels dos senyals prové del controlador PID de velocitat. Per tant, l'actuador ara està controlat per l'opció de bucle de posició i no supera el valor establert de la velocitat.
Iniciació i regulació del control de pressió o força
La regulació és el procés de selecció del millor increment per a un control òptim de posició, velocitat, pressió o força. Els sistemes de regulació de pressió o de control de pressió són diferents dels sistemes de regulació de posició perquè el cilindre hidràulic no es mou tant quan canvia la pressió. La manera més senzilla d'ajustar la pressió o la força és estendre completament l'actuador fins que s'assoleixi la pressió del sistema, mentre s'estableixen tots els guanys a 0. A continuació, introduïu el valor establert o guany només amb un petit guany proporcional al PID.
Aquest "petit" guany proporcional es pot estimar per:
Aquesta fórmula permet al treballador determinar la posició de la regulació d'arrencada que no es pot determinar durant el procés de regulació de la pressió. Podeu començar per trobar un senyal de control amb una sortida completa de 10V o 40mA, o el 100% de la vàlvula, i utilitzant l'equació VCCM per calcular la velocitat màxima (vegeu Jack L. Johnson, PE, "Electrònica bàsica per al control de moviment de cilindres"), o mirant una taula per determinar-la. L'equació dinàmica s'ha de dividir pel doble de l'àrea. Això es deu al fet que l'augment de pressió a un costat del pistó va acompanyat d'una disminució de la pressió a l'altre costat.
Nota:Els guanys proporcionals estimats no són exactes, però seran molt propers als valors inicials ideals.
Quan s'activa el guany proporcional, la pressió o la força del sistema arribarà al punt de consigna o s'hi acostarà. La gran majoria dels errors es deuen a fuites. El següent pas és fer que el controlador compensi o augmenti el cabal augmentant lentament el guany integral fins que l'error sigui zero.
Ara, el sistema és controlable i es pot ajustar mitjançant respostes dinàmiques. S'aconsegueix ajustant el pendent entre les dues pressions de la banda de funcionament. Un pendent de pressió o força ha de créixer lentament al principi, ja que és més fàcil mantenir el control. Aquest guany PID hauria de ser ajustable per a un millor control. Intentar ajustar la pressió o forçar el PID en resposta als canvis de pas en el sistema és molt difícil, i és difícil obtenir resultats satisfactoris perquè els xocs de pressió poden provocar fuites. Una transició suau de pressió és una bona solució. Quan es canvia la pressió o la força, l'acció del sistema dependrà de l'augment i la disminució de la pressió entre els dos punts de consigna.
